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每周一问│为什么说氧化锆陶瓷很难成为主流的手机机身材质?


来源:中国粉体网   平安

[导读]  虽然此前有媒体预测“氧化锆陶瓷有望超越金属、玻璃成为第三代手机机身的主流材质”,然而现实中有多重的因素限制了氧化锆陶瓷成为主流的手机机身材质。

中国粉体网讯  氧化锆陶瓷是一种新型高技术陶瓷,它除了具有高强度、高硬度、耐高温、耐酸碱腐蚀及高化学稳定性等性能,同时具有抗刮耐磨、无信号屏蔽、散热性能优良、外观效果好等特点,因此成为继塑料、金属、玻璃之后一种新型的手机机身材质。目前氧化锆陶瓷在手机中的应用主要是背板和指纹识别盖板两部分。

有数据显示,2015年消费电子外观件领域的塑料和金属材质占出货量比重的90%以上,而氧化锆陶瓷占比不到1%。虽然此前有媒体预测“氧化锆陶瓷有望超越金属、玻璃成为第三代手机机身的主流材质”,然而现实中有多重的因素限制了氧化锆陶瓷成为主流的手机机身材质。


陶瓷手机 (来源:网络)

高筑的技术壁垒

氧化锆陶瓷手机后盖采用精密陶瓷加工工艺,其材料制备和加工工艺非常繁杂。一块陶瓷后盖从粉体到成品主要要经过9个环节,主要包括粉体制备、加胶、盖板成型、脱胶、烧结、CNC 加工、抛光研磨/打孔、检测以及镭射/PVD 镀膜。按照供应链上下游来说主要分三段:最上游的原材料粉体制备;中游的胚料成型与高温烧结;下游的CNC 抛光/打磨。

纳米氧化锆粉体是手机陶瓷后盖主要的原材料。后盖产业链最上游的氧化锆陶瓷粉体的技术壁垒最高,目前绝大多数纳米级高端粉体制备技术掌握在日美德等少数国家手中,其中陶瓷后盖用的高端氧化锆粉体领域,目前实力较强的厂商有日本TOSOH、京瓷、中国三环集团以及国瓷材料、东方锆业等。

氧化锆粉体 (来源:网络)

氧化锆陶瓷粉体制备技术是制备手机精密部件的关键,粉体质量的好坏直接影响成品的内在质量与性能。纯度高、粒度超细、粒度分布窄及分散性能好是评价陶瓷粉体质量性能的重要依据。目前氧化锆陶瓷粉体常用的制备方法有化学沉淀法、水热法、溶胶-凝胶法等。

就氧化锆粉体团聚这一大难题,甘学贤等通过设计使用不同的研磨设备和工艺参数来考察最终的解聚效果。以d50=1.355μm的氧化锆粉体为研究对象,当分别采用立式球磨机、立式珠磨机和卧式砂磨机为研磨设备,以φ2mm的氧化锆球作为研磨介质,以m介质∶m物料=5∶1的介质物料比研磨15h后,检测研磨后氧化锆料浆的粒度,结果表明:(1)卧式砂磨机的研磨效果最优,研磨后氧化锆料浆的d50为0.303μm;(2)当采用卧式砂磨机为研磨设备时,在介质物料比(m介质∶m物料)为4∶1,料浆固含量(w)为45%,线速度为10m·s-1,研磨时间为25h的条件下,研磨效果最佳。

在氧化锆粉体的表面改性处理方面,梁玥等通过实验得出结论:(1)国产氧化锆粉体经过卧式搅拌磨磨细和手工造粒处理后,烧结活性有显著提高,在1400℃烧结条件下,烧结密度可接近99.5%。(2)国产氧化锆粉体经磨细处理后,烧结试样抗弯强度均低于原始粉体的主要原因是存在大尺寸缺陷,因此粉体磨细处理必须有适当的造粒工艺相配合,才能提高粉体成型性能。(3)初步认为提高粉体相变的稳定性有利于获得高性能氧化锆粉体。

在粉体配方这一环节,为了增强粉体烧结产品的韧性等性能,还需向氧化锆粉体里添加改性材料,改性添加剂主要包括稀土类元素如钇等,以保证配方粉的绝缘性;另一部分添加剂如镁、锰、钒、钨等,主要用以保证配方粉的温度稳定性和可靠性。在此环节中,改性添加剂的掺入成分和掺入比例是配方粉的关键,工艺要求极高,这些都需要靠长时间的积累,是技术壁垒的一大体现。

CNC机台 (来源:网络)

除了高筑的技术壁垒,相应的设备投资壁垒也非常高。氧化锆陶瓷烧结用的隧道炉、后道打磨所用CNC机台和研磨机等设备的高资金投入壁垒严重制约了高端氧化锆陶瓷的规模化、产业化。据粗略统计,全球纳米氧化锆粉体的年产能约为4万吨,其中多半以上为中低端粉体,无法用于制造手机后盖;即使有1万多吨产能的高端粉体,也不会全都用于生产手机后盖,因为部分高端粉体会用于传感器、燃料电池等等。高端氧化锆粉体的产能瓶颈同时制约了陶瓷手机背板的产能,氧化锆陶瓷要成为主流的手机机身材质短期内几乎无可能。

突出的成本问题

用于制造陶瓷手机部件的高端氧化锆粉体占总成本的30%左右,全球质量最好的日本TOSOH(东曹)粉体价格已超过100万/吨,国产粉体如国瓷材料也需要大约30万/吨,按照每片陶瓷后盖需要用粉100g来计算,粉体的价格就为30-100 元,另外结合生产良率,其综合成本会更高。因此粗略估计陶瓷背板单价为200元左右。据一位业内人士透露:“陶瓷材料现在基本上都是高端手机中的高端才敢用,因为价格太高,普通的基本上一块要200多元以上,如果再做一些装饰和着色的话,还要更贵一些。目前主要还是聚焦于一些较小批量的高端旗舰机市场。”


(来源:网络)

除了成本的问题,陶瓷外观件的加工时间长、良率较低等问题也很突出。因为氧化锆陶瓷的莫氏硬度高,所以在精细加工如抛光打磨方面需要的时间较长。同时,由于陶瓷外观件的生产工艺流程很多,并且各个环节的良率环环相扣,非常容易出现瓶颈导致整体良率无法提升。这些因素都严重制约了氧化锆陶瓷的产能。

不容忽视的其它问题

在中国粉体网主办的2018新型陶瓷技术与产业高峰论坛上,中国科学院上海硅酸盐研究所蒋丹宇研究员就当前比较流行的手机陶瓷背板发表了自己的反思,他指出,随着指纹识别的需求量减少、成本问题突出、难以批量化生产以及受手机品牌知名度的影响,手机陶瓷背板未来的发展扑朔迷离。这其中的两点很值得我们深思,一个是由于技术的快速发展导致指纹识别被其它新技术替代,指纹识别陶瓷盖板的需求必然减少;另一个是消费者的心理因素致使高技术陶瓷材质被手机品牌的影响力所遮盖。

小结:

尽管国内市场上的高端氧化锆陶瓷粉体主要依赖进口,但是近几年国内粉体企业也相继崛起,三环、国瓷、东方锆业等在国内市场的占额逐年提高。其中三环集团作为行业内最早开始制作陶瓷外观件的厂商,目前无论是在产能还是在良率上领先优势都较明显。三环集团也是目前全球唯一一家实现了从粉体到成品加工全产业链一体化的厂商,未来其在产能与成本上的问题一旦解决,将会使陶瓷手机部件的市场占有率加速提升。


参考来源:

甘学贤等.研磨设备和工艺参数对氧化锆粉体粒度的影响

梁玥等.国产氧化锆粉体的表面改性处理

上海证券报、华强微电子、光大证券等

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